防控高溫煤巖裂隙的膏體泡沫研制及應用*

魯　義，陳　立，鄒芳芳，熊珊珊

(1. 湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 2. 湖南科技大學 煤礦安全開采湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 3. 湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

0　引言

礦井火災是煤礦主要災害之一，其中由于煤巖裂隙漏風導致的煤自燃火災事故占礦井火災總數的90%以上[1]。根據國家安監總局煤礦事故查詢系統不完全統計[2]，2002-2016年期間共發生770起瓦斯爆炸事故，其中30%以上誘因為煤自燃。我國新疆、寧夏、內蒙等省還存在大面積的煤田火災，每年燒損煤量1 000～1 360萬噸，經濟損失超過200億元[3]。神東、陜北、黃隴、寧東和晉北等大型煤炭基地，煤層埋藏淺、層間距近、地表漏風嚴重，自然發火也十分頻繁[4]。此外，因瓦斯抽放漏風[5]和沿空掘進遺留小煤柱壓碎漏風[6]引起的煤炭自燃問題也變得十分突出。國內外通常采用灌漿[7]、注氮氣[8]、注泡沫[9]、噴灑阻化劑[10]、注凝膠和復合膠體[11]等防滅火技術來防治礦井煤自燃。采用灌漿技術，覆蓋范圍小、不能向高處堆積、易形成“拉溝”現象，對于缺水少土礦區，常規的灌漿實施困難；采用注氮氣技術，氮氣具有惰化火區、擴散范圍廣等特點，但氮氣易隨漏風逸散，滅火降溫能力也較弱；采用噴灑阻化劑技術，阻化劑腐蝕井下設備和危害工人身心健康，防滅火效果也不甚理想；采用注凝膠和復合膠體技術，凝膠或復合膠體流量小、成本高、擴散范圍小；泡沫穩定時間不長，破滅后難以持續封堵高溫煤巖裂隙[12]。

基于以上分析可以得出，防治煤炭自燃的關鍵在于防控高溫煤巖裂隙。而泡沫體材料具有良好的裂隙滲流擴散能力、能向高處堆積、對高溫煤巖裂隙進行立體覆蓋，為此，研發了一種膏體泡沫材料對高溫煤巖裂隙進行覆蓋降溫、封堵、阻化來防治煤炭自燃。采用正交試驗對其最佳配方進行確定，并將材料應用現場煤自燃火區進行防控高溫煤巖裂隙。

1　實驗過程

1.1　實驗原材料

聚丙烯酰胺(純度98%)，粉煤灰(SiO2、Al2O3含量≧60%)，硅粉(純度96%)，普通硅酸鹽425型水泥(水泥細度≦5.0%)，二水合氯化鈣(純度99%)，六水合氯化鎂(純度99%)，十二烷基硫酸鈉(純度98%)，十二醇(分析純)。

1.2　制備工藝

膏體泡沫基本的制備過程可以分為4個步驟：(1)在干粉攪拌器中首先將粉煤灰、普通硅酸鹽425型水泥、硅粉、六水合氯化鎂、二水合氯化鈣攪拌均勻形成混合粉體，其中各組分的摻量相對于復合粉體質量分別為65.4 wt.%，23.1 wt.%，10.5 wt.%，0.4 wt.%，0.6 wt.%；(2)將2.5 wt.%十二烷基硫酸鈉與2 wt.%十二醇復配制成的復合表面活性劑；(3)將聚丙烯酰胺，混合粉體、復合表面活性劑加入到水中形成復合膏體；(4)復合膏體在發泡裝置中進行發泡。發泡裝置為一個混合器，其內置有中空螺旋桿，中空螺旋桿上開設有出風口。壓風風壓為0.3～0.4 MPa，供風量與復合膏體體積比為10∶1，壓風從中空螺旋桿內部噴出，與在螺旋通道(轉速為150～200 r/min)中推進攪拌的復合膏體進行擾流混合，形成的渦街轉化成為湍流，并按照一定的頻率產生渦旋，動能的損失作用在復合膏體上，進而形成膏體泡沫。該混合工藝針對復合膏體保水多、粘度大不易與氣體接觸的特點，在復合膏體運動軌跡中從內部供氣發泡。

1.3　關鍵性能分析方法

1)保水率

試驗裝置是東莞市科昶檢測儀器有限公司生產的KQ-1202型熱風循環干燥箱，溫度范圍為RT～300℃，升溫時間為RT～100℃約10分鐘，精確度為±0.5℃，均勻度為±1.0%，加熱功率為8 kW。取質量為1 000 g的膏體泡沫放入試驗箱中，設置檢測溫度為150℃，升溫恒定后保持10 h，待膏體泡沫恢復至常溫，從恒溫槽中取出，使用電子天平測定此時膏體泡沫的質量，按公式(1)計算保水率：

(1)

式中：η為檢測溫度下膏體泡沫的保水率，%；m1為恢復常溫后膏體泡沫的質量，g；m0為膏體泡沫初始質量，g。

2)發泡倍數

測量制備后的膏體泡沫密度(ρ1)和未發泡時復合膏體的密度(ρ0)，得出發泡倍數為兩者密度之比。

3)阻化率

煤熱解過程時要產生多種氣體，且各種氣體產生的最低溫度，以及氣體生成量和煤溫之間的關系因煤質不同而異。因此，采用自主研制的煤自燃特性測試系統(圖1)，并通過檢測指標氣體CO濃度來測定膏體泡沫的阻化率。試驗煤樣來自萍鄉礦業集團安源煤礦，經過破碎和篩分，樣品為50 g，粒度為40～80目。將煤樣置于銅質煤樣罐內，將煤樣罐置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心)，檢查氣路的氣密性。測試時向煤樣內通入50 mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱，當達到指定測試溫度100℃時候，恒定溫度5 min后采取氣樣進行氣體成分和濃度分析。計算原煤樣和膏體處理過煤樣兩組煤樣釋放CO量的差值，阻化率的計算公式為：

(2)

式中：ε為阻化率，%；h0為原煤樣檢測時CO釋放量，mg/m3；h1為阻化樣檢測時CO釋放量，mg/m3。

1—干空氣瓶；2—減壓閥；3—穩壓閥；4—穩流閥；5—壓力表；6—氣阻；7—流量傳感器；8—隔熱層；9—控溫箱；10—氣體預熱銅管；11—進氣管；12—出氣管；13—煤樣罐；14—鉑電阻溫度傳感器；15—風扇；16—加熱器；17—控制器；18—數據采集系統；19—氣相色譜儀；20—計算機圖1　煤自燃特性測試系統Fig.1　Test system for the characteristic of coal spontaneous combustion

1.4　正交試驗方案設計

為了研究聚丙烯酰胺、復合表面活性劑、混合粉體的最佳配比，利用正交實驗分析法進行分析。選取保水率、發泡倍數、阻化率作為指標，選取聚丙烯酰胺濃度(A)、復合表面活性劑濃度(B)、混合粉體濃度(C)作為因素，研究這3個因素與3個指標的關系，每個因素選用5個水平，正交試驗水平因素設計如表1所示。

表1　正交試驗水平因素設計

2　實驗結果分析

按照表1所示的正交試驗水平因素設計開展試驗，得到試驗結果如表2所示。

表2　正交試驗結果

根據表2試驗結果，按照正交試驗數據分析進行逐步求解，可得出最佳配方為A4B4C4，即當聚丙烯酰胺的濃度為70 g/L，復合表面活性劑為19.5 g/L，混合粉體的濃度為270 g/L時，膏體泡沫綜合性能最佳，經過試驗測試該方案情況下膏體泡沫的保水率為85.31%，發泡倍數為9.62，阻化率為70.31%。與正交試驗表中的配方試驗結果相比較，綜合性能更優。膏體泡沫作為一個泡沫流體體系，在現場防治煤火的過程中，其在高溫煤巖裂隙中滲流擴散能力，對高溫壁面的吸熱降溫特性，自身在受熱情況下的穩定性都與其泡孔結構有關。因此，采用BT-1600圖像顆粒分析系統對膏體泡沫進行微觀表征，放大10倍情況下的泡孔結構分布如圖2所示 ，放大100倍情況下的泡孔液膜及其附著顆粒分布如圖3所示。

圖2　泡孔尺寸及分布Fig.2　Bubble size and distribution

圖3　泡孔液膜及其附著顆粒分布Fig.3　Attached particles in bubble liquid membrane

由圖2可得，膏體泡沫的泡孔分布較均勻，孔徑大小在100～300 μm之間，經統計，平均孔徑約為165 μm，孔壁厚度約為10.2 μm。因此，當其滲流封堵在裂隙中時，能很好的阻止高溫熱源溫度以氣體導熱、對流的方式在煤巖裂隙進行蔓延擴散。由圖3可得，混合粉體能夠較均勻的分布在膏體泡沫的液膜中，其中的粉煤灰、水泥、硅粉等顆粒導熱系數低、輻射吸收比大[13]，所以當其覆蓋在高溫煤巖體表面時能夠起到阻熱和抑制熱輻射的作用，這同時也增加了膏體泡沫所能承受的極限環境溫度。此外，圖3中還可觀察到泡孔液膜載體呈現網狀結構。這主要是因為膏體載體為聚丙烯酰胺，其化學式為—[CH2CH]nCONH2—，其吸水時，首先是離子型親水基團在水分子的作用下開始離解，陰離子固定在高分子鏈上，陽離子作為可移動離子在樹脂內部維持電中性，由于網絡具有彈性，因而可容納大量水分子[14]。水進入到網狀結構中，會使得整個泡膜體系的自由焓降低，能夠更好的對高溫煤體進行降溫，同時只有當水分子的熱運動超過高分子網絡的束縛力后，水才揮發逸出[15]，所以膏體泡沫具有很好的熱穩定性。

3　現場應用

3.1　工作面基本情況

南方某礦3220采區302工作面位于3220采區3129皮帶道～3127皮帶道之間，工作面東以礦井邊界為界，西以3127皮帶道二平石門為界。所采煤層為大槽煤層，結構復雜，厚度變化大，含夾石1～4層，厚度0.2～1.5 m。工作面受斷層等地質構造影響，底板坡度變化大，對開采有較大影響。大槽煤層為自燃發火煤層，發火期3～6個月。絕對瓦斯涌出量為1.2 m3/min，相對瓦斯涌出量為0.78 m3/t。大槽煤層具有煤塵爆炸危險，爆炸指數為43.98%。在1月1日工作面多處地點出現CO超限，CO濃度大于300 ppm的地點主要集中302 4部溜子頭5 m、302 3部溜子尾、302 4號抽放孔、302尾掘2號鉆孔、3127三石門密閉內、3127二石門密閉內。其中三石門密閉內CO濃度高達700 ppm，出現了C2H2，C2H4濃度為150 ppm，并且能聞到濃烈的煤焦味。

3.2　火區范圍分析

由于302工作面靠近進風側部分所采區域為已采的301工作面，由于礦井開采資源緊張問題，所以對301工作面進行了復采，漏風嚴重?？炕仫L側區域為實體煤，但由于工作面下方施工了底板瓦斯抽放巷道，向上部煤層施工了大量抽放鉆孔，所以該實體煤區域實際上煤層裂隙擾動大，存在一定漏風。為了進一步判定火區范圍，利用工作面回風順槽已經有的1#和2#鉆場瓦斯抽放鉆孔，并在工作面施工了3#、4#、5# 3個鉆場，通過鉆孔采集氣樣，觀測分析，發現在5個鉆場鉆孔中1月1日-1月4日期間的CO平均濃度如下，1#-1孔約為480 ppm，2#-1孔約為440 ppm，3#-1孔約為500 ppm，4#-1孔約為280 ppm，5#-1孔約為260 ppm。同時在工作面進風順槽與五斗交匯處也存在CO濃度超限，該濃度在1月1日，1月2日，1月3日，1月4日連續4 d出現在每天11:00-15:00之間CO異常涌出，濃度高達150 ppm。經過與現場工程技術人員井下實地監測和分析，判定了工作面煤層主要的發火區域位置處在原301工作面回風順槽與三石門交匯處附近的區域，如圖4所示。此外考慮到進風順槽煤壁連續4 d在中午左右出現的CO異常涌出，得出進風順槽與進風五斗交匯處煤體由于長期處于漏風，存在煤自燃高溫點，如圖4所示。

圖4　302工作面火區分析及鉆孔布置Fig.4　Fire zones analysis and drilling layout in 302 working face

3.3　鉆孔壓注膏體泡沫

由以上分析，可得工作面前方煤層實質上已經處于一個高溫環境，而防治火區的根本在于對高溫煤體進行滅火降溫并及時控制好漏風通道，為此1月4日晚上在3#、4#、5#鉆場分別再施工2號、3號兩個鉆孔。于1月5日早班(8:00)開始，從5個鉆場的2號、3號鉆孔分流壓注膏體泡沫，共計壓注泡沫量為中300 m3。5個鉆場的1號鉆孔作為監測點，進行取樣分析，工作面主要監測點CO濃度變化如圖5所示。

圖5　壓注膏體泡沫前后主要監測點CO濃度變化Fig.5　Change of CO concentration in the main monitoring points before and after the injection of foam

從圖5中可以看出，在1月5日早班以前，工作面前方煤層火區內煤自燃指標氣體CO濃度均有一定的上升，但上升的幅度不大，這主要是因為1月3日開始已經對工作面的風量進行調整，使得工作面配風量從380 m3減少到200 m3，但是僅僅通過通風系統的調整還不能很好的抑制火區的進一步發展。1月5日早班，從鉆孔分流壓注膏體泡沫后，可以看出各個監測點CO濃度都開始迅速下降，當班下降幅度達到100 ppm以上。這主要是因為壓注鉆孔布置較多，且工作面具有23～28°的傾角，煤層裂隙受擾動尺度較大，膏體泡沫本身對裂隙具有很好的滲流擴散能力，所以膏體泡沫能夠在較短的時間達到預先判定的火區和高溫點，對高溫煤巖體進行覆蓋降溫，對裂隙通道進行封堵，從溫度和漏風供氧兩個方面阻止了火區的蔓延和發展。至1月6日晚班，鉆孔監測點CO濃度均降低到80 ppm以下，三石門密閉CO降低為105 ppm。在1月7日晚班，1-5#鉆場鉆孔監測點CO濃度分別降低到22 ppm，18 ppm，23 ppm，14 ppm，14 ppm，三石門密閉處CO也降低到36 ppm?？梢?，經過壓注膏體泡沫3天后，工作面火區情況得到了良好的控制。

4　結論

1)采用正交試驗法，以保水率、發泡倍數、阻化率作為指標，聚丙烯酰胺(A)、復合表面活性劑(B)、混合粉體(C)作為因素， 得出了膏體泡沫的綜合性能最佳的配比為A4B4C4：A為70 g/L，B為19.5 g/L，C為270 g/L。

2)對膏體泡沫進行微觀表征，得出其平均孔徑約為165 μm，孔壁厚度約為10.2 μm。進而分析了液膜的組成，載體為聚丙烯酰胺吸水溶脹，液膜上均勻分布粉煤灰、水泥、硅粉等顆粒；載體吸水后的網狀結構使得整個泡膜體系的自由焓降低，能夠更好的對高溫煤體進行降溫并增加了水分子熱運動的束縛力；液膜附著顆粒能夠起到阻熱和抑制熱輻射的作用，增加膏體泡沫所能承受的極限環境溫度，使得膏體泡沫具有很好的熱穩定性。

3)將膏體泡沫應用于南方某礦302復采工作面火區治理，火區范圍內鉆孔和密閉處監測點CO濃度顯著下降，表明其能對高溫煤巖裂隙進行封堵降溫，進而抑制煤炭自燃。

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